Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет

Кафедра Электроакустики и ультразвуковой техники

П. В. Пашков, И. Г. Сидоренко, М. М. Шевелько

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ по курсу «Элементная база электроники»

Санкт-Петербург

2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Рис. 1

Лабораторный стенд для исследования статических вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов (рис. 1) в своем составе содержит:

- исследуемые полупроводниковые приборы (диод (1), стабилитрон(2), тиристор(3), биполярный транзистор(4), полевой транзистор(5));

- встроенный блок питания, обеспечивающий стенд тремя независимо изменяющимися напряжениями;

- универсальный цифровой мультиметр для измерения токов и напряжений с индикацией результатов на двухстрочном жидкокристаллическом дисплее. Контроллер мультиметра позволяет осуществлять двухстороннюю связь с ЭВМ типа IBM по стандартному последовательному порту RS-232.

В нижней части лицевой панели лабораторного стенда расположены кнопки управления схемой коммутации с индикацией ее состояния посредством светодиодов, а также ручки потенциометров, управляющих напряжениями встроенных источников питания E1, E2 и E3.

Изменение состояния схемы коммутации стенда производится однократным нажатием соответствующей кнопки и удержанием ее в течение 0,5 сек. В правом верхнем углу находится жидкокристаллический дисплей мультиметра с кнопками переключения страниц выводимой информации. Расположение страниц следующее:

►►

В левом верхнем углу - выключатель питания (Сеть). В средней зоне – мнемосхема лабораторного стенда.

На задней панели расположены сетевой предохранитель и разъем связи с ЭВМ. Все измерения, выполняемые в ходе выполнения лабораторной работы, проводятся на постоянном токе.

Для снижения влияния температуры при прогреве исследуемых полупроводниковых приборов в ходе эксперимента используются облегченные режимы их работы, соответствующие начальным участкам их вольт-амперных характеристик. С целью повышения чистоты экспериментов в области высоких токов и напряжений рекомендуется проводить кратковременные измерения с промежутками между ними, достаточными для охлаждения прибора.

Лабораторная работа № 1 исследование статических вольт-амперных характеристик диода и стабилитрона

Цель работы

1. Изучение статических вольт-амперных характеристик диода и стабилитрона;

2. Приобретение навыков экспериментального измерения статических вольт- амперных характеристик маломощных полупроводниковых приборов.

Краткие теоретические сведения

Полупроводниковыми диодами называют двухэлектродные полупроводниковые приборы с выпрямляющим электрическим переходом. В качестве выпрямляющего электрического перехода применяется p-n-переход, гетеропереход или выпрямляющий контакт металла с полупроводником.

Подавляющее большинство полупроводниковых диодов представляет собой структуру, состоящую из областей n-типа и p-типа, имеющих различную концентрацию примесей и разделенных электронно-дырочным переходом. Область с высокой концентрацией примесей (порядка 10¹⁸ см.^-3) называют эмиттером, область с низкой концентрацией примесей (порядка 10¹⁴ – 10¹⁶ см.^-3) называют базой.

Электрод диода, подключённый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключённый к отрицательному полюсу — катодом. Условное обозначение диода на схемах приведено на рис. 1.

Рис. 1. Условное обозначение диода

Независимо от способа изготовления полупроводникового диода концентрация примесей в базе всегда меньше, чем в эмиттере, поэтому электронно-дырочный переход оказывается сдвинутым в область базы, то есть является несимметричным. Вследствие низкой концентрации примеси база обладает значительным сопротивлением.

На рис. 2 показана p-n-структура, изготовленная по комбинированной технологии, широко используемой при производстве интегральных схем.

Рис. 2. p-n-структура полупроводникового диода

На кремниевой подложке n⁺-типа выращивают эпитаксиальный слой n-типа. Затем поверхность выращенного слоя окисляют, в результате чего образуется слой SiO₂ толщиной около 1мкм, в котором создают окна и через них методом диффузии вводят акцепторную примесь, изменяющую тип электропроводимости выращенного кристалла. В результате образуется p+-слой с высокой концентрацией примеси, отделенный от n-области электронно-дырочным переходом. Затем осуществляют омические контакты с n+ и p+ областями путем напыления алюминия. В процессе изготовления кремниевой пластины создается большое количество одинаковых p-n структур. Такую пластину разделяют на отдельные кристаллики, каждый из которых монтируют в герметичном металлическом, пластмассовом или стеклянном корпусе, защищающем кристалл от воздействия окружающей среды, а базу и эмиттер через омические контакты соединяют с внешними выводами.

Вольт-амперная характеристика диода

Режим работы диода определяется его вольт-амперной характеристикой. Типовая характеристика диода представлена на рис. 3.

(1)

(2)

Рис. 3. Типовая вольт – амперная характеристика диода

Соотношения (1) и (2) описывают соответственно обратную и прямую ветви вольт-амперной характеристики идеального диода и отличаются только знаком напряжения внешнего источника. У реальных диодов характеристики отличаются от идеальных за счет наличия омического сопротивления тела полупроводника и выводов, что сказывается на прямой ветви характеристики, и токов утечки из-за загрязнений поверхности кристалла.

При больших обратных напряжениях, начиная с некоторого предела, сопротивление диода резко падает и наступает пробой перехода. Именно этот участок обратной ветви вольт-амперной характеристики, который идет почти параллельно оси токов, используется в качестве рабочего у стабилитронов. При этом характер пробоя может носить как лавинный, так и туннельный характер. Величина напряжения пробоя определяется удельным сопротивлением материала исходного полупроводника и видом механизма пробоя. Так для напряжений стабилизации 200…8 В пробой является лавинным, в диапазоне 8...6 В действуют как лавинный, так и туннельный механизмы пробоя, а для напряжений меньше 6 В - только туннельный. При этом номинальное напряжение стабилизации U_ст по абсолютной величине выбирается несколько большим напряжения пробоя U_проб.